Формирование и строение битумных пленок в асфальтобетоне
Смачивание минеральных материалов битумом является первым актом физического и химического взаимодействия битума с поверхностью минеральных материалов. Смачивание обеспечивает полное обволакивание минеральных зерен битумом, в результате чего формируется ориентированный слой битума и происходит физико-химическое взаимодействие его с минеральным материалом.
Процессы формирования битумной пленки на минеральных материалах начали изучать в 60-х годах на кафедре дорожно-строительных материалов ХАДИ под руководством М. И. Волкова. Так, И. М. Борщ с помощью хроматографического и люминесцентного анализов установил, что в результате взаимодействия на поверхности минеральных частиц образуются адсорбционно-сольватные слои связанного битума. Известняковые порошки образуют более развитые слои, кварцевые - менее развитые. На поверхности зерен битумная пленка перенасыщена высокомолекулярной частью, причем асфальтенов и смол в граничных слоях больше на известняковом, а не на кварцевом порошке. Как на зернах порошка известняка, так и на тонкопористых зернах кварца наблюдается эффект избирательной диффузии жидких углеводородов.
Наряду с адсорбционным взаимодействием, охватывающим граничный слон битума, изменяется структура битума вследствие поверхностных сил минерального материала, влияние которых распространяется перпендикулярно поверхности минерального материала. Битум, попадая в зону их действия, претерпевает структурные изменения. Его высокомолекулярные соединения, проявляя «эстафетное действие», образуют цепочки, перпендикулярные к поверхности минеральных зерен. Эти цепочки напоминают собой ориентированные структуры типа «жидких кристаллов». Прочность связи звеньев цепочки по мере удаления от зерна падает и на расстоянии нескольких микрометров (10-6 м) практически равна нулю, битум приобретает объемные свойства. Аналогичное явление происходит с металлическими опилками, которые попадают в магнитное поле.
Толщина твердообразной зоны
Исследования позволили в ориентированном слое битума выделить три зоны с характерными структурой и физико-механическими свойствами; твердообразная; структурированная; диффузная. Твердообразная зона, граничащая с поверхностью минерального материала, в основном представлена адсорбционным слоем. Минеральные зерна, покрытые твердообразной пленкой, между собой не слипаются, так как пленка не обладает клеющей способностью. Толщина твердообразной зоны на минеральных зернах не превышает долей микрометра. Это подтверждается данными других исследователей. Польский исследователь И. Мачинский показал, что существует критическая толщина пленки битума на минеральных зернах, меньше которой теряются ее клеющие способности. На зернах гранита эта толщина равна 0,512, кварцита - 0,387, известняка - 0,45 мкм. Критическая толщина - это и есть твердообразная зона. Структурированная зона состоит из упорядочно расположенных высокомолекулярных компонентов битума, ориентированных в направлении минеральной подложки. За структурированной зоной расположена переходная - диффузная зона между ориентированным слоем и объемным битумом, которой вяжущее частично имеет упорядоченное строение. Толщина зоны зависит от температуры. При повышении температуры толщина зоны уменьшается до своего минимального значения, а при повышении - увеличивается. Не наблюдается резкого перехода между ориентированным слоем и объемным битумом, а также внутри слоя между зонами. В зависимости от размера и природы зерен, а также содержания в битуме асфальтенов и ПАВ величина ориентированного слоя меняется от долей микрометра до нескольких микрометров.
Работы Б.В. Дерягина и его сотрудников показали, что граничная пленка обладает свойствами, отличными от свойств объемной жидкости. Эти отличия определяются тем, что граничные слои жидкости находятся в поле действия поверхностных сил. Структура расположения молекул в граничном слое упорядочена, что связано с более высокой энергией взаимодействия между молекулами.
Для измерения вязкости граничных слоев жидкости Б.В. Дерягин с сотрудниками применил весьма оригинальный «метод сдувания». По этому методу слой жидкости толщиной в несколько микрометров наносится на внутреннюю поверхность щели толщиной в несколько сот микрометров. Посылая через щель равномерный поток воздуха, можно заставить нанесенный слой жидкости двигаться и принять форму клина.
Этими экспериментами доказано, что вязкость меняется по мере удаления от твердой поверхности не постепенно, а скачками.
Изменение вязкости граничных пленок по сравнению с вязкостью жидкости в объеме есть непосредственный результат иного ориентированного расположения молекул в граничных пленках. Измерения вязкости дозволили обнаружить скачкообразный характер изменения свойств граничных слоев при переходе к объемной жидкости. Однако у жидкости, имеющей цепочкообразные молекулы, может и не быть скачкообразной вязкости, а образуется промежуточная область или же вязкость изменяется постепенно. На этих материалах действие поверх-постных сил распространяется на расстояние свыше 10 мкм.
При наличии химического или адсорбционного взаимодействия минеральных частиц с полимером эффективный объем наполнителя увеличивается. Толщина адсорбционного слоя на частицах размером от 3 до 10 мм изменяется в пределах 1,2-17 мкм.
Б.В. Дерягин показал, что несмотря на то, что до сих нор отсутствует количественная теория, увязывающая толщины граничных слоев со свойствами жидкостей в объеме, из экспериментальных данных можно сделать выводы, что толщина ориентированного слоя возрастает с увеличением молекулярной массы и асимметрии молекул жидкости.
Свойства нефтяных остатков в граничных слоях были изучены Р.М. Мурзаковым, Э.А. Галлямовой и З.И. Синяевым на приборе с плоскопараллельными дисками. В качестве рабочей поверхности служили стальные диски, обработанные до 13-14-го класса шероховатости (глубина неровностей 0,1-0,05 мкм). Толщину граничного слоя определяли как половину зазора между сближающимися дисками. Толщина граничного слоя нефтяных дисперсных систем является функцией времени действия нагрузки и физико-химических свойств этих систем.
Дисперсная среда
Сопротивление сближению дисков при больших зазорах определяется объемной вязкостью дисперсной системы. На втором участке зазор мало изменяется во времени, дисперсная система вытесняется очень медленно, вязкость ее резко возрастает. По мере увеличения удельной нагрузки толщина остаточного слоя быстро уменьшается и при определенной для каждого остатка нагрузке достигает минимального предельного значения, не изменяясь при больших нагрузках (для гудрона и крекингостатка соответственно 1 и 3 мкм при удельной нагрузке 20 и 24 кН/м2).
На основании выполненных исследований авторы делают следующие предположения о строении граничного слоя нефтяных остатков на поверхности стали: ПАВ, содержащиеся в остатке, адсорбируются на поверхности стали, с которой они могут связываться силами различной природы. Адсорбированные молекулы ПАВ ориентируются под углом 90° к поверхности. Составляющие их углеводородные цепи сольватируются углеводородами дисперсной среды, которая благодаря этому получает ориентацию на расстояние, значительно превосходящее расстояние прямого действия поверхностных сил твердого тела. При сближении дисков эта ориентация нарушается, что создает сопротивление нормальным нагрузкам.
Наибольшую толщину остаточного слоя имеет экстракт, наименьшую - гудрон, а крекинг-остаток занимает промежуточное положение. Авторы объясняют это тем, что дисперсная среда экстракта состоит из высокомолекулярных ароматических углеводородов и смол. Дисперсная среда крекинг-осгатка отличается высоким содержанием парафино-нафтеновых углеводородов, которые не имеют активных полярных групп. Тем не менее толщина граничного слоя значительна, что объясняется наличием пространственной структуры по всему объему системы. Это приводит к повышению жесткости парафинового остатка по сравнению с малопарафинистыми гудронами, что проявляется в более высоких значениях толщины граничного слоя.
Надо полагать, что закономерности, получаемые для углеводородных жидкостей с ПАВ полимеров и нефтяных остатков, можно распространить и на битумы. А. С. Колбановская установила, что на свойства битума в тонких слоях большое влияние оказывает характер поверхности, на которой адсорбирован битум. На активной поверхности с уменьшением толщины битумных слоев (меньше 10 мм) резко увеличивается когезия, являющаяся следствием ориентации структурных элементов битума или их «обломков».
| << ПРЕДЫДУЩАЯ ГЛАВА Закономерности распределения битума в асфальтобетоне | СЛЕДУЮЩАЯ ГЛАВА >> Удельная поверхность щебня, песка и минерального порошка в асфальтобетоне | |
| << Содержание >> | ||